Пресс-порошки: состав, свойства, применение

Пресс-порошки (пресс-материалы с порошкообразным наполнителем) применяются для изготовления различных бытовых и технических изделий. В зависимости от назначения изделий к ним предъявляются разные требования. Технология изготовления пресс-порошков различных марок во многом сходна, хотя и имеются существенные различия.

Компоненты пресс-порошков

Пресс-порошки представляют собой композиции, в состав которых входят олигомер, наполнитель, отвердитель и ускоритель отверждения олигомера, смазывающее вещество, краситель и различные специальные добавки.

Олигомер является связующим в пресс-материале, обеспечивающим пропитку и соединение остальных компонентов в гомогенную массу при определенных давлении и температуре. За счет отвержденного олигомера достигается монолитность и сохранение заданной формы готового изделия. Свойства олигомеров определяют основные свойства пресс-материалов. В производстве пресс-порошков используют как новолачные, так и резольные олигомеры, в соответствии с чем порошки называют новолачными или резольными.

Наполнители влияют прежде всего на механическую прочность, водостойкость, теплостойкость, диэлектрические свойства и химическую стойкость пресс-порошков. В производстве пресс-порошков используют как минеральные, так и органические наполнители. Из органических наполнителей наиболее важное значение имеет древесная мука — тонко измельченная древесина хвойных и лиственных пород (обеспечивает получение пресс-масс с улучшенными диэлектрическими свойствами), и ограниченно используют лигнин. Минеральные наполнители — каолин, литопон, слюда, кварцевая мука, плавиковый шпат и другие применяются реже. Изделия, наполненные минеральными наполнителями, имеют относительно невысокие физико-механические показатели, но превосходят пресс-порошки с органическими наполнителями по водостойкости и теплостойкости. Кроме того, при применении порошков с минеральным наполнителем допустимы более высокие температуры переработки, тогда, как древесная мука при температуре выше 200 °С разлагается, что резко ухудшает качество материала.

Поэтому в промышленности часто сочетают наполнители обоих типов, с тем чтобы получить материалы с нужным комплексом свойств. Некоторые наполнители придают порошкам специфические свойства. Например, слюда применяется в пресс-материалах, используемых для изготовления дугостойких изделий и деталей высокочастотной изоляции, плавиковый шпат увеличивает дугостойкость изделий, а асбест — теплостойкость, графит придает изделиям полупроводниковые свойства.

Механизм взаимодействия наполнителя с полимером достаточно сложен. Предполагают, что в случае минерального наполнителя происходит лишь обволакивание его частиц полимером, а при использовании органических наполнителей — химическое взаимодействие полимера с наполнителем, например, с целлюлозой и лигнином, входящими в состав древесной муки.

В качестве отвердителя в производстве новолачных пресс-порошков применяют гексаметилентетрамин (уротропин). Иногда его добавляют в небольших количествах и для ускорения отверждения резольных олигомеров. Наряду с отвердителями в состав композиций часто вводят ускорители отверждения: оксиды кальция или магния. Применение оксидов металлов позволяет улучшить некоторые свойства пресс-порошков например теплостойкость.

Смазывающие вещества улучшают таблетируемость пресспорошков, предотвращают прилипание изделий к форме в процессе переработки и облегчают извлечение их из формы после прессования. Кроме того, смазывающие вещества, по-видимому, уменьшают трение между частицами пресс-материала, вследствие чего повышаются пластичность и текучесть материала в процессе прессования. В качестве смазывающих веществ в производстве пресс-порошков используют кислоты растительного происхождения — олеиновую и стеариновую и их соли, например, стеарат кальция, цинка.

Для изготовления окрашенных пресс-изделий применяют органические и минеральные красители и пигменты, обладающие высокими термостойкостью и светопрочностью. Их вводят либо непосредственно в связующее, либо при смешении компонентов. Обычно большинство технических изделий из фенопластов окрашено в черный цвет. Для их окраски применяют органический краситель — спирторастворимый нигрозин.

Окраска пресс-изделий в процессе эксплуатации изменяется. Это в основном обусловливается взаимодействием красителя с фенолом, формальдегидом и катализатором, частично остающимся в свободном состоянии в полимере. Процесс протекает под действием солнечного света, тепла, влаги и т. д., причем скорость изменения окраски различными красителями неодинакова.

Рецептуры пресс-порошков. Новолачные и резольные пресс-порошки перерабатывают в изделия главным образом прессованием, а в последнее время и литьем под давлением. Типичная рецептура новолачного пресс-порошка, используемого для переработки методом прессования, приведена ниже (в масс, ч.):

• Связующее – 42,8;
• Древесная мука – 43,2;
• Уротропин – 6,5;
• Каолин, мумия или умбра – 4,4;
• Нитрозин спирторастворимый 1,5
• Оксид кальция или магния 0,9;
• Стеарин или стеарат кальция – 0,7.

Для переработки методом литья под давлением используют пресс-порошок следующей рецептуры (в массовых частях):

• Связующее – 50,3;
• Древесная мука – 29,0;
• Уротропин – 7,5;
• Каолин – 5,0;
• Мумия – 4,4;
• Оксид кальция – 2,2;
• Стеарин – 1,7.

Повышенное содержание связующего в рецептуре обеспечивает большую подвижность массы. Кроме того, для увеличения текучести композиции в процессе вальцевания в нее вводят фурфурол (3 массовых частей на 100 массовых частей).

Рецептуры резольных пресс-порошков изменяются в широпределах в зависимости от назначения материала. Так, содержание связующего колеблется в пределах 35—50%, а оксидов кальция или магния — 0,7—2,5%. В резольные порошки на основе крезолофармальдегидных олигомеров или смеси резольных и новолачных олигомеров вводят уротропин.

Способы изготовления пресс-порошков

Для получения пресс-порошков на основе твердых фенолоформальдегидных олигомеров применяют вальцовый или экструзионный способ (сухие способы), а на основе жидких эмульсий и растворов олигомеров — эмульсионный или лаковый способ (мокрые способы).

В промышленности наибольшее распространение получил вальцовый способ, однако весьма перспективным является и экструзионный метод.

Производство новолачных и некоторых быстро вальцующихся резольных пресс-порошков осуществляют по непрерывному способу (рис. 1). В случае экструзионного способа в качестве основного агрегата вместо вальцов применяют экструдер. Технологический процесс производства вальцовым или экструзионным способом включает стадии подготовки сырья, смешения компонентов, пластикации массы, размола и стандартизации материала. Пластикацию проводят на вальцах или в экструдере.

На этой стадии наряду с гомогенизацией смеси происходит дальнейшая поликонденсация олигомеров с частичным переходом их в стадию резитола. Температурный режим процесса выбирается таким образом, чтобы олигомеры могли расплавиться и хорошо пропитать наполнитель и другие компоненты смеси (около 130°С в конце пластикации массы). Продолжительность пластикации резольных порошков в среднем в 2—3 раза выше, чем новолачных, что объясняется более высокой скоростью их перехода под действием уротропина в стадию резитола.

Некоторые марки новолачных и резольных порошков, требующие длительного вальцевания, готовят периодическим вальцовым способом. Этот способ включает те же стадии, что и непрерывный. Отличие состоит в том, что композиция на вальцы подается вручную. Кроме того, продолжительность вальцевания, которая контролируется по текучести и внешнему виду изделий, отпрессованных из провальцованной массы, может изменяться в широких пределах. Периодическим вальцеванием готовят порошки на основе термореактивных крезолоформальдегидных олигомеров, совмещенных с термопластичными полимерами, особенно с поливинилхлоридом, или при использовании плохо пропитывающихся наполнителей (слюда, асбест, виброизмельченный кокс и др.).

Этот способ в отличие от вальцового обеспечивает более высокое качество получаемых пресс-материалов за счет однородности порошка и хорошей пропитки наполнителей. Хорошая герметизация оборудования обеспечивает и лучшие санитарно-гигиенические условия труда. Достоинство этого способа заключается также в возможности легкого перехода с производства пресс-материала одной марки, на другую.

Поэтому экструзионный метод изготовления пресс-порошков является более перспективным, чем вальцовый.

Основан на пропитке наполнителя водоэмульсионными олигомерами. Существенным недостатком этого способа является применение нестандартных по вязкости олигомеров, содержащих значительное количество свободного фенола и низкомолекулярных соединений. Способ малопроизводителен, его трудно оформить в виде непрерывного процесса, поэтому практически он утратил свое значение.

заключается в пропитке наполнителя и других компонентов в смесителе растворами новолачных или резольных олигомеров в спирте или его смесях с другими растворителями. Пропитанную массу высушивают в вакууме при 60— 75 °С. Вследствие больших расходов растворителя, относительно низкого качества пропитки и неравномерности сушки получаемого материала этот способ в настоящее время находит лишь ограниченное применение.

Свойства изделий из новолачных и резольных пресс-порошков

Новолачные и резольные пресс-порошки должны обладать определенными технологическими свойствами, обеспечивающими возможность переработки их в изделия. К числу наиболее важных технологических свойств пресс-порошков относятся:

• удельный объем,
• таблетируемость,
• текучесть,
• скорость отверждения,
• усадка.

На стадии подготовки пресс-порошка к переработке важными показателями являются удельный объем и таблетируемость.

Удельный объем большинства новолачных и резольных пресс-порошков находится в пределах 2200—2800 м 3 /кг, а для композиций с минеральным наполнителем—в пределах 1100— 1350 м 3 /кг. Более высокий удельный объем имеют пресс-порошки, приготовленные эмульсионным и лаковым способами, более низкий — пресс-порошки, полученные вальцовым и экструзионным способами.

Таблетируемость обусловливает возможность высокопроизводительной переработки пресс-порошка в изделия. Способность пресс-порошка образовывать таблетку (брикетироваться) определяют путем холодного прессования на таблеточных машинах.

Текучесть определяет способность пресс-порошка заполнять полость формы при прессовании или литье. Текучесть измеряют в специальной пресс-форме Рашига в стандартных условиях.

В зависимости от типа связующего и назначения пресс-материала текучесть пресс-порошков изменяется в широких пределах — от 35 до 200 мм. Пресс-порошки с текучестью менее 35 мм не способны равномерно заполнять пресс-форму в процессе прессования изделий. Однако с увеличением текучести увеличиваются потери на стадии прессования (материал «вытекает» из формы, образуя толстый заусенец) и уменьшается скорость отверждения. Высокотекучие пресс-порошки используют для изготовления изделий сложного профиля, низкотекучие — для изделий небольших размеров и простой конфигурации.

Скорость отверждения является важнейшим показателем технологических свойств пресс-порошка, определяющим производительность оборудования на стадии переработки. Для фенолоальдегидных связующих скорость отверждения изменяется в широких пределах, значительно увеличиваясь при использовании продуктов совмещения фенолоформальдегидных олигомеров термопластами.

Усадка характеризует изменение размеров образцов в процессе переработки и эксплуатации изделий. Для фенолоальдегидных пресс-порошков она составляет 0,4—1%.

Физико-механические показатели изделий из новолачных пресс-порошков с различными наполнителями приведены ниже:

Из этих данных видно, что изделия из пресс-порошков с древесной мукой в качестве наполнителя имеют более высокие механические показатели, но уступают по теплостойкости материалам с асбестом.

Пресс-порошки, в которых связующим служат крезольные, ксиленольные олигомеры или олигомеры, полученные поликоденсацией смеси фенола и его гомологов с формальдегидом, не отличаются по физико-механическим показателям от пресс-порошков на основе чисто фенолоформальдегидных олигомеров, но уступают им по скорости отверждения.

Физико-механические и электрические показатели изделий из резольных пресс-порошков с различными наполнителями приведены ниже:

Резольные порошки превосходят новолачные по электрическим показателям. Введение минеральных наполнителей (плавиковый шпат, слюда) увеличивает теплостойкость.

Как уже отмечалось, в производстве пресс-порошков широко применяют совмещенные полимеры. Физико-механические показатели изделий из пресс-порошков, в которых в качестве связующего используются новолачные фенолоформальдегидные олигомеры, совмещенные с другими полимерами, приведены ниже: Наиболее высокую механическую прочность имеют изделия из пресс-порошков на основе новолачных олигомеров, совмещенных с полиамидами. Изделия, получаемые из пресс-порошков на основе продуктов совмещения новолаков с бутадиен-нитрильным каучуком, характеризуются высокой стойкостью к действию ударных нагрузок. Изделия из пресс-порошков на основе продуктов совмещения с поливинилхлоридом отличаются стойкостью к агрессивным средам.

Особо следует отметить пресс-порошок, получаемый на основе фенолоформальдегидного олигомера и графитированных продуктов — антегмит. От неметаллических материалов антегмит отличает высокая тепло- и электропроводность, а от металлических— высокая стойкость к действию различных агрессивных сред.

Пресс-порошки с высокими диэлектрическими показателями получают на основе фенолоформальдегидных новолаков, отвержденных оксазолидинами. Изделия из таких пресс-порошков характеризуются стабильностью диэлектрических свойств в условиях повышенной влажности и повышенных температур. По скорости отверждения они почти не уступают фенолоформальдегидным олигомерам, наиболее быстро отверждающимся уротропином.

Применение пресс-порошков

Пресс-порошки используют для изготовления изделий методом горячего прямого или литьевого прессования при 160—200 °С и давлении 20—120 МПа. Для получения профильных изделий (труб, стержней, уголков и т. п.) пресс-порошки перерабатывают методом профильного прессования. Некоторые пресс-порошки перерабатывают литьем под давлением на машинах специальной конструкции.

В зависимости от назначения различают следующие основные группы пресс-порошков.

Пресс-порошки общетехнического назначения — новолачные пресс-порошки на основе фенолоальдегидных олигомеров и древесной муки. Применяются для изготовления ненагруженных армированных и неармированных деталей технического назначения и изделий широкого потребления (штепсели, розетки, вилки, патроны, корпусы проигрывателей, рукоятки и т. д.). Электрические свойства изделий из пресс-порошков этой группы ухудшаются при работе во влажной атмосфере.

Жаростойкие пресс-порошки — новолачные пресс-порошки на основе фенолоальдегидных олигомеров и минеральных наполнителей (слюда, асбест). Предназначены для изготовления радиодеталей и электроустановочных изделий, работающих в условиях высоких температур.

Электроизоляционные пресс-порошки — резольные пресс-порошки на основе фенолоальдегидных олигомеров и древесной муки. Предназначены для изготовления армированных и неармированных деталей электротехнического назначения и деталей автотракторного электрооборудования, эксплуатация которых допустима в среде бензина и масла.

Высокочастотные пресс-порошки — резольные пресс-порошки на основе фенолоальдегидных олигомеров и минеральных наполнителей (слюда, кварцевая мука, плавиковый шпат). Предназначены для изготовления ненагруженных и слабоармированных деталей радиотехнического назначения, работающих на воздухе в условиях повышенной влажности. Изделия могут эксплуатироваться в условиях тропиков. К той же группе материалов относятся пресс-порошки на основе фенолоальдегидных новолаков, отвержденных оксазолидинами или совмещенных с полиамидами.

Безаммиачные пресс-порошки — резольные пресс-порошки на основе фенолоанилиноформальдегидных олигомеров и древесной муки. Предназначены для изготовления деталей слаботочной и радиотехнической аппаратуры, соприкасающихся или находящихся рядом с поверхностью серебряных контактов. Безаммиачными называют пресс-порошки, не содержащие уротропина, при разложении которого выделяется аммиак.

Влагохимстойкие пресс-порошки — пресс-порошки на основе новолаков, совмещенных с поливинилхлоридом, и минеральных или органических наполнителей (каолин, кокс, графит, древесная мука). Предназначены для изготовления водо- и кислотостойких изделий, например, крышек и пробок аккумуляторных баков, деталей стиральных машин, радиотехнических деталей, антифрикционных изделий.

Ударопрочные пресс-порошки — пресс-порошки на основе новолаков, совмещенных с каучуком с наполнителем — древесной мукой. Применяются для изготовления деталей общетехнического назначения, армированных деталей сложной конфигурации.

Антегмит. Предназначен для изготовления антифрикционных самосмазывающихся изделий. Для повышения химической стойкости и теплостойкости изделия подвергаются термической обработке, в результате которой несколько снижается механическая прочность. Используется также для получения футеровочной плитки.